Mit: Przykład Wenus wskazuje, że nie musimy się martwić o przyszłość

„Teoria rozbuchanej szklarni jest bardziej niż absurdalna” – to opinia znanego sceptyka Stevena Goddarda, którą uzasadnia w artykułach (np. tutaj i tutaj) na najbardziej znanym portalu sceptyków negujących wpływ gazów cieplarnianych, zmianę klimatu i nasz w niej udział. Według Goddarda to nie efekt cieplarniany powoduje, że na Wenus jest tak ciepło, lecz wysokie ciśnienie atmosfery. Poziom naukowy tych rozważań jest tak niski, że zdystansowali się od nich nawet inni sceptyczni naukowcy, tacy jak np. dr Roy Spencer. Skupimy się więc nie na bzdurach głoszonych przez Goddarda, lecz na samej Wenus i efekcie rozbuchanej szklarni jako takim.

Należy zauważyć, że określenie „rozbuchany efekt cieplarniany” odnosi się do specyficznego procesu będącego obiektem zainteresowania zajmujących się ewolucją planet naukowców. Nie chodzi w nim o to, że planeta ma po prostu bardzo gorącą i bogatą w CO₂ atmosferę. Najlepiej myśleć o „rozbuchanym efekcie cieplarnianym” jako o zjawisku, do którego doszło bardzo dawno temu na Wenus (a także wielu planetach, które miały pecha znaleźć się zbyt blisko swojej gwiazdy), a nie jako o trwałym stanie, w którym planeta znajduje się obecnie.

Wenus dzisiaj – wprowadzenie

Wenus to bliska siostra Ziemi. Jest nie tylko planetą najbliższą w przestrzeni, ale też bardzo podobną – o prawie identycznym rozmiarze i zbliżonym składzie początkowym. Jednak losy Wenus potoczyły się zupełnie inaczej niż Ziemi. Dziś atmosfera Wenus jest 100 razy gęstsza od ziemskiej i w ponad 96% składa się z dwutlenku węgla. Efekt cieplarniany podnosi temperaturę powierzchni do ponad 460°C, a ciśnienie na powierzchni wynosi 92 atmosfery (92 kg/cm²), co z grubsza odpowiada ciśnieniu panującemu w oceanie na głębokości 1 kilometra. Pierwsze sondy kosmiczne, mające wylądować na planecie, nie docierały do jej powierzchni, lecz ulegały zniszczeniu wysoko w atmosferze.

Orbita Wenus ma promień odpowiadający 72% promienia orbity ziemskiej. To znaczy, że do jednostki powierzchni tej planety dociera około dwa razy więcej energii słonecznej niż do jednostki powierzchni Ziemi (natężenie padającego promieniowania jest odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości planety od Słońca, czyli 1/R², w naszym przypadku 1/(0,72)², co daje 1/0,518≈2). Widziana z kosmosu Wenus ma bardzo jasną powierzchnię, co oznacza bardzo wysoki współczynnik odbijania światła (tzw. albedo). Kompensuje to z nawiązką wyższe natężenie promieniowania słonecznego i w efekcie jednostka powierzchni Wenus pochłania mniej energii słonecznej niż jednostka powierzchni Ziemi.

To wysokie albedo Wenus zawdzięcza gazowym związkom siarki, które, reagując z pozostałą w atmosferze wodą, tworzą chmury złożone z kropelek kwasu siarkowego (H₂SO₄). Jednak nawet bez chmur albedo Wenus byłoby wysokie, ze względu na dużą gęstość atmosfery. W takim przypadku silne jest rozpraszanie promieniowania w zakresie nadfioletu i widzialnym, tzw. rozpraszanie Rayleigha. Efekty radiacyjne chmur w atmosferze Wenus są omówione m.in. w pracy Bullock i Grinspoon, 2001. Niezależnie od tego warto wiedzieć, że do powierzchni planety dociera niecałe 10% strumienia promieniowania słonecznego padającego na najwyższe warstwy atmosfery.

Obserwacje pary wodnej w atmosferze Wenus pokazują ekstremalnie wysoki stosunek ilości atomów deuteru ²H do atomów normalnego lekkiego wodoru ¹H. Wynika to z faktu, że lekkie atomy ¹H łatwiej uciekają z pola grawitacyjnego planety niż dwukrotnie cięższe atomy deuteru. Na podstawie zawartości izotopów wodoru można oszacować ilość wody na Wenus w okresie jej formowania się. Okazuje się, że kiedyś na Wenus było co najmniej 100-krotnie więcej wody niż obecnie (Selsis 2007 wraz z tekstami źródłowymi).

Efekt cieplarniany na Wenus jest powodowany głównie przez CO₂, chociaż znaczący wkład mają też para wodna i SO₂. Gazy te powodują, że atmosfera Wenus jest bardzo mało przezroczysta dla promieniowania podczerwonego (rysunek 2), dlatego też większość obserwowanego z kosmosu (i przez nas) promieniowania podczerwonego pochodzi z bardzo wysokich (i przez to chłodnych) warstw atmosfery. Dlatego mimo faktu, że powierzchnia Wenus jest nadzwyczaj gorąca, na zdjęciach robionych w podczerwieni planeta wygląda na prawie tak zimną jak Mars.

Podobnie jak ziemskie, wenusjańskie chmury przyczyniają się do efektu cieplarnianego, choć nie absorbują/emitują fal podczerwonych tak dobrze jak para wodna. Kropelki kwasu siarkowego tworzące chmury Wenus bardzo skutecznie rozpraszają fale podczerwone, odbijając je ku powierzchni,co  zwiększa efekt cieplarniany. W gęstej atmosferze Wenus wysokie ciśnienie, temperatura i szereg efektów nieobecnych we współczesnej atmosferze Ziemi prowadzą do poszerzenia pasm absorpcyjnych i dodatkowego wzmocnienia działania gazów cieplarnianych. Efekt cieplarniany CO₂ na Wenus wcale nie jest nasycony (tzn. nie osiągnął progu, powyżej którego nie może się nasilić), jak twierdzą niektórzy sceptycy. Co więcej, nie zdaje tam egzaminu tak dobrze sprawdzające się w obecnej atmosferze Ziemi przybliżenie logarytmicznego związku pomiędzy koncentracją CO₂, a wymuszaniem radiacyjnym (Myhre 1998), w którym każde podwojenie ilości CO₂ w atmosferze zmniejsza ucieczkę energii w tropopauzie o ~4 W/m². Dotyczy to zresztą nie tylko atmosfery Wenus, ale też np. atmosfery Ziemi wychodzącej z epizodów „Ziemi-Śnieżki” (czyli Ziemi pokrytej całkowicie lądolodem). W takich warunkach wpływ dwutlenku węgla (i innych gazów cieplarnianych) jest znacząco większy. Szacunkowe obliczenia sceptyka Goddarda, ekstrapolującego logarytmiczną zależność pomiędzy CO₂ a wymuszaniem radiacyjnym, zupełnie nie pasują do sytuacji atmosfery Wenus i są pozbawione sensu fizycznego.

Jak zrobić rozbuchaną szklarnię?

Jak wygląda przepis na uzyskanie efektu rozbuchanej szklarni? Potrzeba dwóch składników: promieniowania słonecznego oraz gazu cieplarnianego emitowanego i składowanego w dużym zbiorniku na powierzchni planety (przy czym koncentracja tego gazu w atmosferze powinna rosnąć wraz z temperaturą). Dla Ziemi i dla Wenus tym gazem cieplarnianym jest woda w postaci pary wodnej, a zbiornikiem powierzchniowym, z którego paruje i do którego się skrapla – oceany. Maksymalne stężenie pary wodnej jest opisane równaniem Clausiusa-Clapeyrona.

Bez obecności atmosfery i innych czynników zależność pomiędzy wzrostem temperatury a ilością uciekającej energii da się w przybliżeniu opisać zależnością Stefana-Boltzmanna E ~ T⁴, co oznacza, że dwukrotny wzrost temperatury (mierzonej w stopniach Kelwina) spowoduje szesnastokrotny wzrost strumienia uciekającej energii.

Obecność wody w systemie klimatycznym powoduje, że w miarę wzrostu temperatury powierzchni rośnie zawartość pary wodnej w atmosferze, co z kolei zmniejsza przezroczystość atmosfery w podczerwieni i wzmacnia efekt cieplarniany. W konsekwencji tego sprzężenia zwrotnego spada temperatura górnych warstw atmosfery. Na wykresie ilości uciekającego promieniowania w funkcji temperatury powierzchni zobaczymy, że wraz ze wzrostem tej temperatury ucieka mniej energii, niż wynikałoby z zależności Stefana-Boltzmanna.

Dodawanie do atmosfery gazów cieplarnianych zmniejsza ilość uciekającego w kosmos promieniowania krótkofalowego. Żeby bilans energetyczny „wyszedł na zero” temperatura powierzchni planety musi wzrosnąć (nadwyżka energii musi zostać zużytkowana). Dla absorbowanego promieniowania słonecznego S=260 W/m², 100 ppm CO₂ w atmosferze i 10% wilgotności względnej równowaga zostaje osiągnięta przy temperaturze powierzchni 276 K (punkt „a” na rysunku). Dla wilgotności względnej 70% (czyli większej ilości pary wodnej w atmosferze) punkt równowagi wzrośnie do 288 K (punkt „b”). Jeśli w atmosferze będzie znacząco więcej CO₂, temperatura powierzchni pozwalająca na wypromieniowanie całej docierającej do planety energii będzie jeszcze wyższa (dla 0,2 bar CO₂ będzie to ~330 K (punkt „c”).

Ponieważ koncentracja pary wodnej (gazu cieplarnianego) rośnie wraz z temperaturą, wzrasta też blokowanie emitowanego przez planetę promieniowania długofalowego – krzywa wzrostu ilości emitowanego promieniowania wraz ze wzrostem temperatury powierzchni rośnie coraz wolniej. Oznacza to, że rośnie czułość klimatu na wzrost wymuszania radiacyjnego, co widać na rysunku 3. Przy 10% wilgotności względnej (linia czerwona) wzrost wymuszania radiacyjnego z 260 W/m² do 300 W/m² spowoduje wzrost temperatury równowagowej o 14K (punkt „a’ ” względem punktu „a”).

Przy wyższej wilgotności (linia niebieska), wzrost temperatury wyniesie aż 30 K. Tak właśnie manifestuje się sprzężenie zwrotne pary wodnej. Jego ostatecznym wcieleniem jest rozbuchana szklarnia – wzrost temperatury powoduje tak intensywne parowanie i szybki przyrost ilości pary wodnej w atmosferze, że ilość wypromieniowywanej w przestrzeń kosmiczną energii przestaje rosnąć – to tzw. „granica Kombayashiego-Ingersolla”. Planeta z wilgotną atmosferą nie może wypromieniować w podczerwieni więcej energii (przy założeniach jak wyżej).

Granica Kombayashiego-Ingersolla stanowi oczywiście pewne przybliżenie obliczeniowe. Dokładniejsze oszacowania maksymalnej ilości promieniowania długofalowego, które może wypromieniowywać planeta z wilgotną atmosferą, biorące pod uwagę więcej procesów zachodzących w troposferze i stratosferze, zostały przedstawione m.in. w artykule Nakajima (1992).

Gdy wymuszanie przez czynniki zewnętrzne (szczególnie Słońce) osiągnie granicę Kombayashiego-Ingersolla, temperatura planety będzie rosła, aż temperatura powierzchni osiągnie kilka tysięcy stopni (ewentualnie kiedy rozgrzana planeta zrobi się tak gorąca, że zacznie intensywnie świecić w paśmie światła widzialnego, tracąc w ten sposób energię). Przy takim wzroście temperatury oceany odparują i cała para wodna znajdzie się w atmosferze. Nastąpi rozkład cząsteczek wody na wodór i tlen. Lekki wodór ucieknie z pola grawitacyjnego planety, co będzie dla niej oznaczać ostateczną i nieodwracalną utratę wody. Gdy już nie będzie opadów wody na powierzchnię, przestanie działać proces wietrzenia skał, usuwający z atmosfery dwutlenek węgla (tymczasem CO₂ będzie nadal pompowany do atmosfery przez wulkany).

Mniej więcej takie zdarzenia mogły zajść w atmosferze Wenus (alternatywnym wytłumaczeniem jest proces tzw. „wilgotnej szklarni”, o którym za chwilę) – w rezultacie Wenus stała się miejscem wrogim dla życia (Pierrehumbert 2002).

Wilgotna szklarnia

Obecnie na Ziemi para wodna jest uwięziona przy powierzchni przez „zimną pułapkę” tropopauzy, czyli warstwy atmosfery, w której temperatura spada poniżej -50°C (w takiej temperaturze ilość mogącej pozostać w powietrzu pary wodnej jest bardzo mała) i w której tłumione są pionowe ruchy powietrza, tzw. konwekcja (aby zachodziła, temperatura w atmosferze musi spadać z wysokością na tyle szybko, by unosząca się ciepła masa powietrza, ochładzająca się adiabatycznie, „nie nadążała” ze stygnięciem i cały czas była cieplejsza od otoczenia). Tak więc znacząca ilość pary wodnej nie może dotrzeć do wyższych warstw atmosfery, zamiast tego kondensuje i opada w postaci deszczu.

W scenariuszu „rozbuchanej szklarni” ta „zimna pułapka” przestaje istnieć, a wilgotna atmosfera obejmuje też stratosferę. To z kolei umożliwia promieniowaniu nadfioletowemu rozkład znajdującej się w stratosferze pary wodnej na tlen i wodór. Ten ostatni ucieka w kosmos w procesie, który doprowadził do utraty wody przez Wenus. Scenariuszem pośrednim jest „wilgotna szklarnia” (Kasting 1988), w której nie dochodzi do odparowania oceanów, jednak stratosfera jest wilgotna, więc proces utraty wody przez ucieczkę wodoru i tak postępuje. W dalszych badaniach (Kasting 1993) Kasting zastosował te obliczenia do oszacowania rozmiarów ekosfer (stref wokół gwiazd, w których mogą leżeć planety nadające się dla życia) wokół gwiazd ciągu głównego. Obliczenia Kastinga prowadzą do wniosku, że planeta posiadająca atmosferę z parą wodną nie może promieniować więcej energii niż 310 W/m² (co jest wartością o 10% większą od obecnego progu „wilgotnej szklarni”). Przy obecnym natężeniu promieniowania słonecznego Ziemia mogłaby uniknąć utraty wody krążąc nawet o 5% bliżej Słońca.

Ziemia i rozbuchana szklarnia

Na Wenus doszło do efektu rozbuchanej szklarni. Czy Ziemię mógłby spotkać podobny los? Oczywiście tak. Gdybyśmy magicznie przenieśli Ziemię na orbitę Wenus, oceany wyparowałyby, a powierzchnia Ziemi zamieniłaby się w wypaloną pustynię, gorętszą od wnętrza piekarnika .

Oczywiście nie przesuniemy Ziemi na orbitę Wenus. Ale wzrost mocy Słońca miałby ten sam skutek. To zresztą nastąpi – za około miliard lat Słońce będzie świecić o 10% silniej niż dziś – będzie to tożsame z dodatkowym wymuszaniem radiacyjnym równym mniej więcej 25 W/m², co wystarczy, by Ziemia osiągnęła próg „wilgotnej szklarni” i zaczęła w coraz szybszym tempie tracić wodę.

Ponieważ obecny klimat Ziemi znajduje się znacząco poniżej progu rozbuchanej szklarni, parująca woda kondensuje i opada w postaci deszczu, a nie gromadzi się bez końca w atmosferze. Inaczej jest z CO₂, który pozostaje w atmosferze, chyba, że usuną go procesy wietrzenia krzemianów (bardzo powolne) lub pochłoną oceany i biosfera (jednak procesy te mają ograniczoną „pojemność absorpcji CO₂”).

Czy jest możliwe, że nasze emisje gazów cieplarnianych spowodują tak znaczący wzrost wymuszania radiacyjnego, że dojdzie do tej ostatecznej katastrofy i życie na Ziemi się skończy?

Klimatologiem, który najgłośniej rozważa możliwość wystąpienia efektu rozbuchanej szklarni jest James Hansen, niedawno emerytowany dyrektor Instytutu Badań Przestrzeni Kosmicznej NASA im. Goddarda w Nowym Jorku. W książce „Storms of My Grandchildren” z 2009 roku, stwierdza:

„(…) jeśli spalimy całość zasobów ropy, gazu i węgla, istnieje możliwość, że zainicjujemy nieodwracalny już efekt rozbuchanej szklarni. Jeśli zaś spalimy piaski roponośne i łupki bitumiczne, to myślę, że mamy tego gwarancję. To byłby ostateczny faustowski pakt z Szatanem. Za wspaniałe chwile i dobrobyt osiągnięty dzięki paliwom kopalnym zapłacilibyśmy cenę najwyższą – nieodwracalnie niszcząc życie na Ziemi”.

Większość klimatologów uważa, że nie spalimy wszystkich istniejących na Ziemi paliw kopalnych, próg rozbuchanej szklarni jest wystarczająco wysoko, a do skrajnego scenariusza Wenus nie dojdzie. Ostatnio przeprowadzona kompleksowa analiza teoretyczna (Goldblatt 2012) stwierdza:

„Czy dziś wpływając na klimat możemy spowodować taką katastrofę (zanim nastąpi sama z siebie)? Aby udzielić odpowiedzi na to pytanie, w naszej pracy dokonujemy przeglądu stanu wiedzy o efekcie rozbuchanej szklarni, opisując różne ograniczenia dla ucieczki promieniowania i tego jak, w danych warunkach będzie ewoluował klimat. Dobra wiadomość jest taka, że prawie wszystkie dowody prowadzą nas do wniosku, że wywołanie efektu pełnoskalowej rozbuchanej szklarni przez emisję niekondensujących gazów cieplarnianych, takich jak CO₂, jest mało prawdopodobne, nawet tylko w teorii. Jednak nasze rozumienie dynamiki, termodynamiki, transferu radiacyjnego oraz fizyki chmur gorących i przesyconych parą atmosfer jest niepełne. Nie możemy więc zupełnie wykluczyć możliwości, że nasze działania doprowadzą do zmiany stanu klimatu, jeśli nawet nie do zjawiska pełnoskalowej rozbuchanej szklarni, to co najmniej do znacznie cieplejszego stanu niż obecny. Ostrzeżeniem może być wysoka czułość klimatu. Jeśli staniemy (a raczej nasze dzieci staną) przed zagrożeniem rozbuchanej szklarni, to odbijająca światło słońca geoinżynieria może być jedyną nadzieją dla życia.”

W późniejszych pracach także Hansen (Hansen 2013) łagodzi stanowisko, stwierdzając:

„Nasze symulacje wskazują, że w żadnym rozsądnym scenariuszu antropogenicznych emisji nie dojdzie do destabilizacji i efektu rozbuchanej szklarni, zgodnej z definicją Ingersolla, co potwierdza też analiza teoretyczna Goldblatt 2012. Jednak z drugiej strony, wywołany przez nas wzrost wymuszania radiacyjnego, może doprowadzić do słabszego efektu. Wymuszanie radiacyjne na poziomie 12-16 W/m², które wymagałoby 8-16-krotnego wzrostu koncentracji CO₂ (gdyby CO₂ był jedynym czynnikiem wymuszającym), podniosłoby średnią temperaturę powierzchni Ziemi o 16-24°C, przy czym ocieplenie w rejonach polarnych byłoby znacznie większe. Na pewno doprowadziłoby to do stopienia całego lodu na planecie, destabilizacji i uwolnienia hydratów metanu, uwolnienia węgla z wypalonych torfowisk i lasów tropikalnych. Takie wymuszanie radiacyjne nie doprowadzi do ekstremalnego wysuszenia powierzchni planety, podobnego do tego, jakie zaszło na Wenus – najpierw musiałyby wyparować wody oceanu, a potem wodór uwolnić się w przestrzeń kosmiczną.

Ocieplenie o 16-24°C skutkowałoby efektem umiarkowanej „wilgotnej szklarni”, prowadząc do wzrostu zawartości pary wodnej w atmosferze do około 1% jej masy, przyspieszając tym samym ucieczkę wodoru w kosmos. Jednak, jeśli wymuszanie będzie powodowane przez dwutlenek węgla wyemitowany w procesie spalania paliw kopalnych, to procesy wietrzenia usuną nadmiar CO₂ z atmosfery w czasie 10⁴-10⁵ lat – wystarczająco szybko, by nie nastąpił znaczący ubytek wód oceanów.”

Konkluzja

Wenus przeszła przez etap rozbuchanej lub wilgotnej szklarni, kiedy to w wysokiej temperaturze straciła wodę. Gdy wody zabrakło, ustał usuwający dwutlenek węgla z atmosfery proces wietrzenia krzemianów, a koncentracja CO₂ zaczęła rosnąć do obecnego, bardzo wysokiego poziomu. To właśnie gęsta atmosfera CO₂ czyni powierzchnię Wenus tak gorącą.

Nam najprawdopodobniej nie uda się teraz przeprowadzić tego procesu i pozbyć wody z naszej planety. Jednak jeśli spalimy wszystkie paliwa kopalne, to na setki tysięcy lat wywołamy efekt umiarkowanie wilgotnej szklarni, podnosząc temperaturę Ziemi do poziomu, który uczyni z niej zupełnie inną, być może nie nadającą się do zamieszkania planetę.

Marcin Popkiewicz na podstawie Skeptical Science, konsultacja merytoryczna: prof. Szymon P. Malinowski.